一种单相系统电压电流信号的快速坐标转换方法技术方案

本发明专利技术公开了一种单相系统电压电流信号的快速坐标转换方法，根据单相系统当前时刻的信号值与ΔT时间前的值，计算单相系统当前时刻的正交相分量；然后进行坐标转换计算得到d‑q坐标系下的信号值。本发明专利技术可实现于单相系统需要进行坐标转换的场合，具有快速的响应速度，可使正交相信号快速跟踪原信号，弥补了现有单相系统坐标转换方法响应速度缓慢的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力系统与电力电子及牵引交流传动
，具体为一种单相系统电压电流信号的快速坐标转换方法。
技术介绍
交流系统中的各物理量往往是交流形式的时变信号，而对交流系统的控制往往采用传统的线性PI控制器，这种控制器仅能实现直流量的无稳态误差控制，对于交流信号的控制存在一个明显的缺点就是存在稳态跟踪误差。PR谐振控制可以消除额定频率处的交流信号跟踪误差，但该控制对于信号频率扰动有很强的敏感性且稳定裕度小。因为目前的直流量的闭环控制具有非常好的稳态性能。因此在变流器控制，网压锁相环控制，有功无功电流检测装置等领域场合都是将相应物理量转换到dq坐标系中进行控制或检测，这样即可将交流量转变为直流量。在三相系统中可以直接使用Park变换将三相交流信号变换为dq坐标系下的直流信号。但是对于单相系统，实现坐标转换将会变得更加复杂。因为无法实时获取与单相信号独立的正交相信号，需要根据原有单相信号额外引入新的算法产生所需要的正交虚拟相信号，这种算法即为正交信号生成算法。正交信号生成算法主要是检测单相信号xα并据此生成相应的正交信号xβ从而进行单相系统的坐标转换，因此正交信号生成的关键问题是如何快速准确的产生正交信号xβ。传统产生正交信号的方法包括四分之一周期延时法，差分法，滤波法，二阶广义积分法(second-ordergeneralizedintegrator，SOGI)。其中四分之一周期延时法需要四分之一个电网周期的响应时间；一阶差分算子生成正交信号的响应速度很快，但是在高采样频率下，随机噪声被显著放大。如果降低采样频率将噪声抑制在一个可接受范围内，用该方法产生的正交信号又会存在很大的近似误差。因而不能够实现对电网信号的快速检测与精确控制。滤波法则令正交信号xβ＝0，省略正交信号发生器，但是经过坐标转换后在dq坐标中存在二次谐波，通常使用一个滤波器滤除谐波，但这会导致环路带宽减小，并增加响应时间。近几年基于二阶广义积分的正交信号发生器由于具有频率自适应，谐波噪声滤除的特点与能力而引起了广泛的关注。但是这种算法具有缓慢的动态响应，虽然有研究提高了其动态响应速度，但其响应速度仍然有限。这使得其在一些快速检测与控制的场合的应用受到了限制。除了上述方法外，一些人提出了其他不同生成正交信号的方法，如park逆变换正交信号发生器，基于Hilbert变换的正交信号发生器，卡尔曼滤波正交信号发生器，全通滤波正交信号发生器，状态观测正交信号发生器等等，这些正交信号发生器都存在实现复杂，计算量大，以及动态响应缓慢的缺点。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种适用于单相系统坐标转换的方法，在极短时间内准确计算出单相信号的正交相信号，进而通过坐标转换公式实现静止α-β坐标系到d-q坐标系转换，可有效提高目前单相系统正交信号生成与坐标转换方法的速度，降低控制器的实现难度与计算负担，具有优异的动态性能与较好的抗干扰能力。技术方案如下：一种单相系统电压电流信号的快速坐标转换方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在T1时刻采集单相系统固有信号，固有信号xα1与正交β相信号xβ1表示为：步骤2：在间隔ΔT时间后，采集T2时刻的单相系统固有信号，此刻固有信号xα2与正交β相信号xβ2表示为：步骤3：根据单相系统当前时刻T2的信号以及之前T1时刻存储的信号计算出当前时刻信号的正交β相信号分量：两个时刻之间的关系有T2＝T1+ΔT，将其带入式(2)中，并按三角函数公式展开：将式(1)代入式(3)中得到：将式(4)中两个方程联立消去xβ1得到xβ2：其中，ω是信号的角频率；步骤4：根据式(3)所得的信号β相分量以及固有信号，按下式(6)计算d-q坐标系下的信号分量：本专利技术的有益效果是：1)本专利技术的算法可以快速准确的产生单相系统静止坐标系下的虚拟轴正交信号，算法计算量小，实现简单容易，响应时间在四分之一周期内，且可以灵活设置延时相位，延时相位越小，响应速度越快；2)本专利技术的算法对于信号噪声干扰的抑制能力与延时相位有关，延时相位越大，噪声干扰越小，可以通过选择合适的延时相位在保持快速响应的同时，将噪声限制在可接受范围内；3)本专利技术的方法相比于传统的正交信号生成算法，所提算法的响应速度有明显提高，噪声干扰适中，综合性能好。附图说明图1是任意相位延时算法生成正交信号的矢量示意图。图2任意相位延时算法噪声放大系数及响应时间与延时相位关系。图3是本专利技术所提出的采用任意相位延时正交算法的坐标转换方法原理性功能划分框图。图4是本专利技术所提出任意相位延时正交信号生成算法在数字控制器中的一个实施例执行一次的算法流程图。图5坐标转换计算框图。图6是基于本专利技术采用任意相位延时正交信号生成算法的坐标转换方法在电力牵引交流传动单相两电平脉冲整流器dq电流解耦控制中的应用实例。图7是基于本专利技术采用任意相位延时正交信号生成算法的坐标转换方法在单相系统锁相环设计中的应用实例。图8是本专利技术所提出的任意相位延时正交信号生成算法生成单相系统信号正交信号在原信号突变情况下的响应波形图。图9是基于本专利技术采用任意相位延时正交信号生成算法的坐标转换方法应用于电力牵引交流传动单相两电平脉冲整流器dq电流解耦控制中，在MATLAB/Simulink环境下仿真结果中整流器交流侧电压电流波形图。图10是基于本专利技术采用任意相位延时正交信号生成算法的坐标转换方法应用于电力牵引交流传动单相两电平脉冲整流器dq电流解耦控制中，在MATLAB/Simulink环境下仿真结果中整流器交流侧电流dq轴分量波形图。图11基于本专利技术采用任意相位延时正交信号生成算法的坐标转换方法应用于电力牵引交流传动单相两电平脉冲整流器dq电流解耦控制中，在RAT-LAB+DSP环境下整流器交流侧电压电流波形图。图12是基于本专利技术采用任意相位延时正交信号生成算法的坐标转换方法应用于单相系统锁相环中在MATLAB/Simulink环境下仿真结果锁相波形图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的技术方案和技术效果做进一步详细说明。本专利技术单相系统电压电流信号的快速坐标转换方法的具体实施的设定编程环境为MATLAB/Simulink，编程语言为MATLAB/Simulink自身的C语言。具体步骤如下：步骤1：在T1时刻采集单相系统固有信号，固有信号xα1与正交β相信号xβ1表示为：其中，在任意相位延时算法生成正交信号的矢量示意图如图1所示。对于信号噪声干扰的抑制能力与延时相位有关，延时相位越大，噪声干扰越小，可以通过选择合适的延时相位在保持快速响应的同时，将噪声限制在可接受范围内；噪声放大系数及响应时间与延时相位的关系如图2所示。步骤2：在间隔ΔT时间后，采集T2时刻的单相系统固有信号，此刻固有信号xα2与正交β相信号xβ2表示为：步骤3：根据单相系统当前时刻T2的信号以及之前T1时刻存储的信号计算出当前时刻信号的正交β相信号分量：两个时刻之间的关系有T2＝T1+ΔT，将其带入式(2)中，并按三角函数公式展开：将式(1)代入式(3)中得到：将式(4)中两个方程联立消去xβ1得到xβ2：其中，ω是信号的角频率。步骤4：根据式(3)所得的信号β相分量以及固有信号，按下式(6)计算d-q坐标系下的信号分量：其原理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单相系统电压电流信号的快速坐标转换方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在T1时刻采集单相系统固有信号，固有信号xα1与正交β相信号xβ1表示为：xα1=xmcos(ωT1)xβ1=xmsin(ωT1)---(1)]]>步骤2：在间隔ΔT时间后，采集T2时刻的单相系统固有信号，此刻固有信号xα2与正交β相信号xβ2表示为：xα2=xmcos(ωT2)xβ2=xmsin(ωT2)---(2)]]>步骤3：根据单相系统当前时刻T2的信号以及之前T1时刻存储的信号计算出当前时刻信号的正交β相信号分量：两个时刻之间的关系有T2＝T1+ΔT，将其带入式(2)中，并按三角函数公式展开：xα2=xmcos[ω(T1+ΔT)]=xmcos(ωT1)cos(ωΔT)-xmsin(ωT1)sin(ωΔT)xβ2=xmsin[ω(T1+ΔT)]=xmsin(ωT1)cos(ωΔT)+xmcos(ωT1)sin(ωΔT)---(3)]]>将式(1)代入式(3)中得到：xα2=xα1cos(ωΔT)-xβ1sin(ωΔT)xβ2=xβ1cos(ωΔT)+xα1sin(ωΔT)---(4)]]>将式(4)中两个方程联立消去xβ1得到xβ2：xβ2=xα1-xα2cos(ωΔT)sin(ωΔT)---(5)]]>其中，ω是信号的角频率；步骤4：根据式(3)所得的信号β相分量以及固有信号，按下式(6)计算d‑q坐标系下的信号分量：xdxq=cosωtsinωt-sinωtcosωtxαxβ---(6).]]>...

【技术特征摘要】
1.一种单相系统电压电流信号的快速坐标转换方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在T1时刻采集单相系统固有信号，固有信号xα1与正交β相信号xβ1表示为：xα1=xmcos(ωT1)xβ1=xmsin(ωT1)---(1)]]>步骤2：在间隔ΔT时间后，采集T2时刻的单相系统固有信号，此刻固有信号xα2与正交β相信号xβ2表示为：xα2=xmcos(ωT2)xβ2=xmsin(ωT2)---(2)]]>步骤3：根据单相系统当前时刻T2的信号以及之前T1时刻存储的信号计算出当前时刻信号的正交β相信号分量：两个时刻之间的关系有T2＝T1+ΔT，将其带入式(2)中，并按三角函数公式展开：xα2=xmcos[ω(T1+ΔT)]=xmcos(ωT1)cos(ωΔT)-xmsin(ωT1)sin(ωΔT)xβ2=xmsin[ω(T1...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛兴来，张呈象，宋文胜，熊成林，冯晓云，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51